2030-е и 2040-е: доведение нанотехнологий до совершенства

Удивительно, как природа сумела создать столь сложное существо, как человек, наделив нас как достаточной гибкостью ума, так и необходимой физической координацией (в частности, подарив нам противостоящий большой палец) для изобретения технических средств. Мы, однако, все же далеки от совершенства, особенно в том, что касается мышления. Как еще в 1988 году отметил Ханс Моравец, рассуждая о значении технического прогресса, не важно, насколько мы усовершенствуем свой ДНК – код, наши тела из плоти и крови никогда не смогут достичь такой же эффективности, как машины, созданные с определенной целью⁴⁵. Моравец понимал, что в этом смысле люди могут быть лишь «роботами второго сорта», как метко выразился писатель Петер Вайбель ⁴⁶. Это означает, что, даже если мы хорошо поработаем и выведем наш мозг на максимум его возможностей, он все равно будет в миллиарды раз медленнее и намного менее сообразительным, чем специально сконструированная машина.

Развитый ИИ в совокупности с продвинутыми нанотехнологиями позволят нам перепроектировать и перестроить – молекула к молекуле – наш мозг и тело, а также и мир, с которым те взаимодействуют. Нейроны человеческого мозга посылают сигналы с частотой в лучшем случае около 200 раз в секунду (при абсолютном теоретическом максимуме в 1000 раз в секунду), а в среднем, скорее всего, и того меньше – не более одного раза в секунду⁴⁷. Для сравнения, современные транзисторы работают с частотой один триллион циклов в секунду, а компьютерные чипы, доступные в розничных магазинах, выполняют 5 миллиардов циклов в секунду⁴⁸. Такое большое различие обусловлено тем, что клеточная вычислительная структура нашего мозга построена на медленной и неуклюжей архитектуре, в отличие от филигранных инженерных решений в мире компьютеров. По мере развития нанотехнологий этот разрыв будет только увеличиваться.

Кроме того, размер мозга ограничивает его вычислительную мощность 10¹⁴ операций в секунду, как я предполагал в своей книге «Сингулярность уже близка». Это число примерно соответствует оценке Моравеца, полученной из других соображений⁴⁹. Американский суперкомпьютер Frontier уже может выполнять более 10¹⁸ операций в секунду в тестах, ориентированных на работу ИИ⁵⁰. Благодаря тому, что транзисторы в компьютерах могут быть упакованы плотнее и экономичнее, чем нейроны в мозге, а сами компьютеры не ограничены в размерах и могут объединяться в сети, они оставляют человеческий мозг далеко позади в плане вычислений. Можно с уверенностью утверждать, что разум, основанный только на органических тканях биологического мозга, не сможет угнаться за интеллектом, дополненным продуктами наноинженерии.

Первым о нанотехнологиях заговорил знаменитый физик Ричард Фейнман (1918–1988) в своей эпохальной лекции 1959 года «Внизу полным-полно места», в которой он указал на неизбежность появления машин, способных оперировать отдельными атомами, а также на фундаментальные последствия этого достижения⁵¹. Фейнман оптимистично утверждал: «Известные нам принципы физики не запрещают создавать объекты “атом за атомом”. <…> …Физики, в принципе, действительно могут научиться синтезировать любое вещество, исходя из записанной химической формулы. Химики будут заказывать синтез, а физики – просто “укладывать” атомы в предлагаемом порядке. Развитие техники манипуляции на атомарном уровне (а я убежден, что этого нам просто не избежать) позволит решить многие проблемы химии и биологии»⁵² .

Чтобы продукт нанотехнологий мог оказывать воздействие на макрообъекты, он должен обладать способностью к самовоспроизведению. Первым, кто подробно описал принципы, по которым может быть построен такой модуль, был выдающийся ученый Джон фон Нейман (1903–1957). Он обращался к этой теме в конце 1940-х в серии лекций и в статье, опубликованной в одном из выпусков журнала Scientific American за 1955 год⁵³. Однако полностью его идеи были обнародованы только в 1966 году, спустя 10 лет после смерти ученого. Идеи фон Неймана носили абстрактный математический характер и касались в основном не столько практических методов построения самовоспроизводящихся роботов, сколько логических обоснований самой возможности их существования. По его замыслу, самовоспроизводящийся автомат должен состоять из двух частей: «универсального компьютера» и «универсального конструктора». Вычислительное устройство выполняет программу, которая управляет строительным модулем, а тот, в свою очередь, способен создать точную копию как самой машины, так и программы, чтобы у новых экземпляров были те же возможности⁵⁴.

В середине 1980-х годов инженер Ким Эрик Дрекслер, вдохновленный идеями фон Неймана, сформулировал принципы современных нанотехнологий⁵⁵. Дрекслер описал гипотетическую машину, которая могла бы использовать атомы и фрагменты молекул из окружающей среды в качестве строительных материалов для своего конструктора, аналогичного тому, что был предложен фон Нейманом. Строительным модулем этой машины должен управлять компьютер, который указывал бы, куда помещать конкретный атом⁵⁶. Теоретически этот «ассемблер» был бы в состоянии собрать абсолютно любой объект, если только тот обладает устойчивой структурой на уровне атомов. Именно эта гибкость и универсальность отличает подход молекулярного механосинтеза, предложенный Дрекслером, от идей, основанных на биологии, которые допускают конструирование объектов наномасштабов, но накладывают строгие ограничения на возможные схемы и допустимые материалы.

Дрекслер описал концепцию очень простого компьютера, работающего на молекулярных «переключателях» (существующих только в теории, построить их пока не удалось) вместо транзисторов⁵⁷. Каждый переключатель занимает всего шесть кубических нанометров пространства и может менять свое состояние за одну миллиардную долю секунды, что позволит компьютеру достичь скорости вычислений в миллиард операций в секунду⁵⁸. Существует несколько проектов подобного компьютера разной степени совершенства. В 2018 году команда под руководством Ральфа Меркла разработала механическую вычислительную систему, которая может быть реализована в наномасштабе⁵⁹. Их схема (опять же, теоретически) предполагает использование 10²⁰ логических переключателей на литр объема и должна работать на частоте 100 МГц, что позволит выполнять до 10²⁸ вычислительных операций в секунду на единицу объема компьютера (1 литр)⁶⁰. Заметим, что этот объем должен иметь форму, обеспечивающую большую площадь поверхности, что продиктовано соображениями отвода тепла. Потребляемая мощность такой системы составит около 100 Вт⁶¹. Поскольку в мире насчитывается около 8 миллиардов человек, для одновременного моделирования мышления всех людей потребуется менее 10²⁴ операций в секунду (10¹⁴ операций на человека, умноженное на 10¹⁰ людей)⁶².

Как мы уже говорили в главе 2, моя оценка в 10¹⁴ операций подразумевает моделирование каждого нейрона. Однако мозг в значительной степени полагается на параллелизм. Поскольку биологическая среда внутри нашего черепа (по крайней мере, на молекулярном уровне) очень нестабильна, отдельные нейроны могут отмирать или просто не посылать сигнал в нужный момент. Если бы мышление сильно зависело от поведения всех нейронов до последнего, оно было бы слишком ненадежным. Но когда множество нейронов работают в тандеме, «помехи» эффективно фильтруются, и мы можем мыслить вполне адекватно.

При производстве небиологических компьютеров мы располагаем намного большими возможностями контроля над их внутренней средой. Содержимое компьютерного чипа гораздо чище и стабильнее, чем мозговая ткань, поэтому нам не понадобится такой же уровень параллелизма. В таких условиях работа будет более эффективной, так что вполне возможно, что 10¹⁴ операций в секунду нам и не потребуются. Однако, поскольку доподлинно не известно, какую степень параллелизма использует человеческий мозг, я буду на всякий случай придерживаться консервативной оценки. Таким образом, максимально эффективный нанокомпьютер объемом в один литр теоретически сможет в плане вычислительной мощности заменить 10 000 цивилизаций по 10 миллиардов человек (то есть 100 триллионов человек). Сразу оговорюсь, я не утверждаю, что такую машину можно построить на практике. Суть в том, что нанотехнологии обеспечат огромный запас возможностей для прогресса. Даже доля процента от теоретически возможной производительности – это уже революционный шаг для вычислительной техники, который откроет перед нами двери к поистине невероятным вычислительным возможностям.

Что касается самовоспроизводящихся нанороботов, то такой компьютер сможет обеспечить необходимую степень скоординированности для достижения крупномасштабных результатов. Система управления будет похожа на компьютерную архитектуру под названием ОКМД (одиночный поток команд, множественный поток данных). Это означает, что один управляющий модуль будет считывать команды и одновременно пересылать их триллионам ассемблерных элементов молекулярного масштаба (точнее, их собственным примитивным контроллерам)⁶³.

Принцип «широковещательных команд» заодно помогает устранить ключевую уязвимость. Если процесс самовоспроизводства выйдет из-под контроля, а также в случае программных ошибок или вредоносного воздействия мы можем мгновенно отключить источник команд, прекратив тем самым любые действия нанороботов⁶⁴. Как мы подробнее обсудим в главе 7, в худшем случае побочным эффектом работы нанотехнологий будет образование так называемой «серой слизи» – массы из неконтролируемых нанороботов, размножающихся в ходе цепной реакции⁶⁵. Теоретически такой сценарий может закончиться уничтожением всей биомассы на планете и превращением ее в нанороботов. Но архитектура управления, предложенная Ральфом Мерклом, станет хорошей защитой против такого сценария. Если все команды исходят из единого центра, отключение вещания в случае нештатной ситуации обездвижит нанороботов и остановит их размножение.

Сам репликатор, исполняющий команды, будет представлять собой простого молекулярного робота с одним манипулятором наподобие универсального конструктора фон Неймана, построенного в крошечном масштабе⁶⁶. Принципиальная возможность построения молекулярных роботизированных суставов, шестерней, роторов и моторов была неоднократно продемонстрирована⁶⁷.

Законы физики не позволяют манипулятору молекулярного масштаба захватывать и перемещать атомы, как это сделала бы рука человека. В этой связи будущее нанотехнологий стало предметом полемики. В 2001 году американский физик и химик Ричард Смолли открыто вступил в дискуссию с Эриком Дрекслером по поводу принципиальной возможности создания «молекулярных сборщиков», способных производить вещи на атомном уровне⁶⁸. Оба ученых внесли значительный вклад в сферу нанотехнологий, но их взгляды кардинально различались. Дрекслер был убежден, что в сфере нанотехнологий мы должны стремиться реализовать подход «сверху вниз», то есть заставить нанофабрики собирать роботов по заданной инструкции. Смолли же считал, что это физически невозможно и единственный разумный способ – опираться на принцип построения «снизу вверх», как в биологических системах. Возражения Смолли сводились к двум основным аспектам: «проблеме толстых пальцев», то есть соображению, что звенья манипулятора будут слишком громоздкими, чтобы эффективно работать в наномасштабе; и «проблеме липких пальцев» – большой вероятности, что перемещаемые атомы будут приклеиваться к манипулятору.

В ответ Дрекслер приводил в пример такие биологические «устройства», как энзимы и рибосомы, которые, по его мнению, свидетельствуют о том, что вторая проблема преодолима. А первая проблема, как он полагал, вовсе не возникнет, если использовать методики сборки с одним манипулятором. В 2003 году, в разгар дискуссии, я высказал свою точку зрения, преимущественно поддержав точку зрения Дрекслера⁶⁹. Оглядываясь назад, я с удовлетворением отмечаю, что, учитывая последние достижения нанотехнологий, подход «сверху вниз» кажется все более и более реалистичным, даже несмотря на то что потребуется еще около десяти лет, чтобы технологии достигли нужного уровня, скорее всего, с помощью ИИ. Ученые уже существенно продвинулись в задаче точного позиционирования атомов, и я ожидаю новых прорывов в 2020-х годах.

Схема манипулятора Дрекслера по-прежнему кажется мне наиболее перспективной. Вместо сложной и неуклюжей клешни в ней используется единственный наконечник. Чтобы взять атом и переместить его в новую позицию, применяется комбинация механического и электрического воздействия⁷⁰. В своей книге «Наносистемы» (Nanosystems, 1992) Дрекслер описывает несколько видов химических процессов, которые могли бы позволить реализовать эту идею⁷¹. Одним из вариантов может стать манипулирование атомами углерода и строительство объектов из алмазоподобного вещества, называемого алмазоидом⁷².

Алмазоид представляет собой вещество, в котором атомы углерода организованы в пространственную решетку подобно алмазу, но при этом разделены на крошечные отсеки, содержащие около 10 атомов каждый. С внешней стороны к отсеку присоединен один атом водорода. Из алмазоида можно строить необычайно легкие и прочные наноразмерные конструкции. В своих книгах «Машины создания» (1986) и «Наносистемы» Эрик Дрекслер подробно рассмотрел вопросы, связанные с созданием объектов из алмазоида. Эти работы вдохновили автора научно-фантастических произведений Нила Стивенсона на написание романа «Алмазный век», который был опубликован в 1995 году и годом позже получил премию «Хьюго». События романа разворачиваются в мире, где нанотехнологии на основе алмазоида стали основой цивилизации, подобно тому как бронза была ключевым материалом в бронзовом веке, а железо – в железном⁷³. Со дня публикации романа прошло более двадцати пяти лет. За это время исследование алмазоидов существенно продвинулось, и в лабораторных экспериментах появились первые признаки их возможного практического применения. В ближайшие десять лет ИИ, вероятно, проведет более глубокое химическое моделирование, что значительно ускорит прогресс.

Эта технология легла в основу множества интересных проектов. Используя процесс химического осаждения из паровой фазы, мы убедились, что таким образом можно создавать искусственные алмазы⁷⁴. Алмазоид обладает повышенной прочностью, а кроме того, в него можно добавлять примеси с помощью легирования, чтобы получить материал с заданной теплопроводностью и другими свойствами или создать электронные компоненты, такие как полупроводники⁷⁵. В последние десять лет были разработаны перспективные методы производства электронных и механических схем путем специфического расположения атомов углерода⁷⁶. Этой области сейчас уделяют повышенное внимание ученые по всему миру, но самые многообещающие идеи были выдвинуты Ральфом Мерклом и его коллегами⁷⁷. Еще в 1997 году Меркл описал возможный «метаболизм», который обеспечит работу наноассемблера, способного строить углеводороды, такие как алмазоиды, используя раствор бутадиена в качестве сырья⁷⁸.

С тех пор как в 2005 году вышла книга «Сингулярность уже близка», были достигнуты впечатляющие успехи в исследовании графена (материала толщиной в один атом, в котором атомы углерода образуют кристаллическую решетку с ячейками шестиугольной формы), углеродных нанотрубок (по сути, трубок из графена) и алмазных нанонитей (практически одномерных цепочек из углерода в окружении атомов водорода). Все эти структуры найдут широкое применение в ближайшие два десятилетия⁷⁹.

В настоящее время исследователи активно разрабатывают различные подходы к этому типу механосинтеза и другим нанотехнологиям⁸⁰. Среди уже существующих стоит отметить ДНК – оригами⁸¹, ДНК-нанороботов⁸², молекулярные машины (построенные по аналогии с биологическими процессами)⁸³, молекулярные конструкторы, похожие на «Лего»⁸⁴, одноатомные кубиты для квантовых компьютеров⁸⁵, перемещение атомов с помощью пучка электронов⁸⁶, литографию с водородной депассивацией⁸⁷, перемещение атомов с помощью туннельного микроскопа⁸⁸. Ряд проектов в обозначенных направлениях постепенно развивается, а учитывая, что к концу 2020-х в распоряжении инженеров будет мощный ИИ, можно надеяться, что в 2030-х технологии манипулирования отдельными атомами получат свое воплощение.

По сути, производство будет представлять собой внедрение информационной структуры в смесь «черновых» материалов в ходе своего рода экспоненциального процесса. Центральный компьютер будет передавать команды небольшой группе первичных нанороботов, помещенных в сырье из атомов или базовых молекул. Нанороботы получат указание создать каскад копий самих себя в количестве триллионов экземпляров. Затем компьютер даст команду этим молекулярным ассемблерам построить нужные объекты.

Когда технология достигнет своего совершенства, молекулярный ассемблер будет представлять собой настольный аппарат, способный собрать практически любой физический объект при наличии достаточного запаса нужных атомов. Для его создания нам потребуется решить одну из сложнейших задач нанотехнологий: обеспечение универсальности. Одно дело – разработать прибор, который создает какой-то один вид материала (например, алмазоиды), и совсем другое – спроектировать машину, которая сможет работать со всеми известными веществами. В этом вопросе нам не обойтись без помощи очень мощного ИИ. Можно ожидать, что ассемблеры, способные собирать более-менее однородные по составу предметы (драгоценные камни, мебель или одежду), появятся намного раньше, чем многоцелевые аппараты, умеющие создавать объекты с разнообразным химическим составом и сложной микроструктурой (такие как приготовленное блюдо, живой орган или компьютер, который сможет выполнять больше операций в секунду, чем происходит в мозгах всех живущих людей, вместе взятых).

Как только мы получим в свое распоряжение передовые нанотехнологии, производственные затраты на все товары (в том числе сами наноассемблеры) упадут до минимума, фактически до стоимости сырья⁸⁹. В 2013 году Дрекслер оценил эти затраты в 2 доллара за килограмм, независимо от того, что производится, будь то драгоценности или продукты питания⁹⁰. Поскольку наноматериалы гораздо прочнее пластика и даже стали, большинство объектов будут весить на порядок меньше, чем сейчас. Даже если в готовой продукции используется дорогостоящее сырье, например, золото, медь или редкоземельные металлы в электронике, в будущем, скорее всего, соответствующие компоненты можно будет создавать из дешевых и доступных элементов, таких как углерод.

В условиях дешевого производства ценность товаров будет заключаться в содержащейся в них информации, то есть степени их инновационности: творческих идеях, положенных в их основу, строках кода, управляющих их производством. Это соображение уже справедливо для цифровых товаров. Возьмем, к примеру, электронные книги. Первые книги люди вынуждены были переписывать от руки, так что в их цене существенную долю занимала оплата труда переписчиков. После изобретения печатного станка цена книги преимущественно складывалась из стоимости бумаги, чернил и материалов для переплета. Что касается электронных книг, мы практически не несем затрат на электричество и вычислительные мощности, необходимые для их копирования, хранения и передачи. Читатели платят за творческую обработку информации, которая делает чтение увлекательным и стоящим потраченного на книгу времени, и за некоторые дополнительные факторы, в частности маркетинг. Чтобы в этом убедиться, достаточно сравнить цены на пустые блокноты и романы в твердом переплете. Если не обращать внимания на обложки, сложно понять, где что. С другой стороны, романы в электронном формате стоят по несколько долларов, а идея заплатить за пустой электронный блокнот кажется абсурдной. Это яркий пример того, как цена товара зависит только от качества содержащейся в нем информации.

Нанотехнологии перенесут эту модель ценообразования на материальные вещи. В 2023 году стоимость физических товаров складывается из многих составляющих: затрат на сырье, электроэнергию, грузоперевозки, оплаты труда и амортизации оборудования. Но технический прогресс значительно снизит влияние всех этих факторов уже в ближайшие десятилетия. Сырье можно будет добывать или синтезировать на месте без значительных затрат, роботы заменят человеческий труд, средства производства в свою очередь подешевеют, затраты на электроэнергию сократятся благодаря появлению солнечных панелей с высоким КПД и аккумуляторов повышенной емкости (а рано или поздно и благодаря управляемому термоядерному синтезу), а беспилотные электромобили обеспечат низкие затраты на доставку. Экономия на всем вышеперечисленном приведет к тому, что в конечной стоимости продукта будет расти доля информационной ценности. Мы уже идем к этому семимильными шагами: «информационное наполнение» имеет все больший вес и скоро останется практически единственным, что имеет значение.

В большинстве случаев это позволит сделать себестоимость товаров настолько низкой, что их можно будет раздавать потребителям бесплатно. Чтобы увидеть, как это работает, можно в очередной раз обратиться к сектору ИТ. В главе 5 мы уже обсуждали, что компании Google и социальные сети тратят миллиарды долларов на сетевую инфраструктуру, но реальная стоимость одного поискового запроса или одного «лайка» настолько мала, что не имеет смысла брать деньги с пользователя – лучше найти другие источники дохода, например, рекламу. Несложно представить общество, в котором люди вынуждены смотреть политические ролики или делиться персональными данными ради получения товаров, произведенных с помощью нанотехнологий. Правительство может снабжать людей дополнительными товарами в качестве поощрения за волонтерскую работу, продолжение образования или ведение здорового образа жизни.

Радикальное устранение дефицита позволит наконец удовлетворить потребности всех жителей планеты. Заметим, что этот прогноз касается исключительно технической возможности. Культура и политика, безусловно, сыграют огромную роль в том, насколько быстро экономика сможет адаптироваться к новым условиям. Повсеместно обеспечить справедливое распределение благ будет непросто. При всем при этом я смотрю в будущее с оптимизмом. Распространенное заблуждение, что элита будет просто накапливать излишки производства, не имеет под собой оснований. В условиях изобилия запасы становятся бессмысленными. Никто не складирует баллоны с воздухом, потому что его хватает на всех. Точно так же, когда другие пользуются «Википедией», информация в ней не перестает быть доступной вам. Нам осталось лишь распространить этот принцип на материальные товары.

Хотя нанотехнологии помогут решить проблему дефицита многих материальных вещей, у ограниченной доступности есть и культурные предпосылки, особенно когда речь заходит о предметах роскоши. Например, невооруженным глазом невозможно отличить искусственные бриллианты от натуральных, но разница в их стоимости может доходить до 30–40 %⁹¹. Наценка не имеет отношения к визуальной привлекательности, но отражает то значение, которое в нашей культуре придается природным бриллиантам. Аналогично картины мастеров прошлого оживят гостиную не лучше качественных репродукций, но люди ценят их подлинность, поэтому покупают в миллионы раз дороже копий⁹². Так что даже нанотехнологии не смогут полностью искоренить экономическое неравенство.

Природные бриллианты и подлинники Рембранта будут все такими же редкими. Однако со сменой поколений могут поменяться и культурные ориентиры. Кто знает, быть может, сегодняшние дети, став взрослыми, будут ценить совсем другие вещи? Про их детей и говорить нечего.